احتراق چیست؟ – توضیح به زبان ساده

احتراق چیست؟

هیدروکربن + اکسیژن ← گاز دی‌کسید کربن + بخار آب + گرما و نور

البته احتراق همیشه منجر به تولید آتش نمی‌شود. در واقع شعله‌ آتشی که با فرآیند احتراق ایجاد می‌شود، زمانی قابل مشاهده است که مواد در حال احتراق بخار شوند. اگر چنین اتفاقی بیفتد، می‌توانیم شعله آتش را یکی از نشانه‌های رخ دادن فرآیند احتراق در نظر بگیریم. با توجه به اینکه عامل اصلی احتراق اکسيژن است، برای خاموش کردن آتش یکی از اولین اقداماتی که می‌توانیم انجام دهیم محدود کردن اکسیژن است. این کار را با استفاده از روش‌هایی مثل ریختن شن روی آتش یا خفه کردن آتش با پتو می‌توانیم انجام دهیم.

احتراق و اکسیداسیون

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

به‌طور دقیق‌تر، احتراق یک نوع واکنش ترموشیمیایی محسوب می‌شود، به این معنا که همواره گرما تولید می‌کند. همچنین با توجه به اینکه در این فرآیند یک اکسید تولید می‌شود، می‌توان آن را در گروه واکنش‌های اکسیداسیون نیز قرار داد، چون همان‌طور که گفتیم سه مولفه لازم برای اینکه احتراق رخ دهد، عبارت‌اند از اکسیژن، سوخت و عامل محرک.

پیرولیز در احتراق

واکنش شیمیایی چیست؟

پیش از اینکه ببینیم سایر جنبه‌‌های فرآیند احتراق چیست، بهتر است ابتدا خصوصیات احتراق را به‌عنوان یک «واکنش شیمیایی» (Chemical Reaction) بهتر بشناسیم. واکنش شیمیایی فرآیندی است که در آن یک یا چند ماده با نام واکنش دهنده به یک یا چند ماده متفاوت به نام محصول تبدیل می‌شوند. این مواد می‌توانند عناصر شیمیایی باشند یا به‌صورت ترکیبی از دو یا چند عنصر مختلف.

فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم – علوم تجربی و ریاضی در فرادرس

کلیک کنید

$$CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H_2O(g)$$

• واکنش احتراق یا سوختن
• واکنش تجزیه
• واکنش‌های اکسایش - کاهش
• واکنش‌های جانشینی دوگانه
• واکنش‌های سنتزی

بنابراین احتراق یکی از انواع واکنش‌های شیمیایی محسوب می‌شود.

مشخصات واکنش شیمیایی

• خروج گاز
• شکل‌گیری نوعی رسوب
• تغییر رنگ
• تغییرات دمایی
• تشکیل موادی با خواص جدید

برای مثال واکنش شیمیایی سوختن یک هیدروکربن را در نظر بگیرید. خروجی این واکنش در حضور اکسیژن کافی، گاز دی‌اکسید کربن است. پس نشانه اول را داریم. یا سوختن هیدروژن با کلر که تولید هیدروژن کلرید می‌کند و همراه با آزادسازی گرما و نور به‌عنوان دو مشخصه فرآیند احتراق است.

یادگیری احتراق با فرادرس

1. فیلم آموزش علوم تجربی هشتم بخش شیمی فرادرس
2. فیلم آموزش علوم تجربی نهم بخش شیمی فرادرس

همچنین در مقاطع بالاتر و در کتاب‌های درسی شیمی دهم و یازدهم مباحث تکمیلی عناوین بالا بیان شده است. اگر دنبال این هستید که با نحوه حل تمرین و سوالات امتحانات نهایی در این زمینه بیشتر آشنا شوید، مشاهده فیلم‌های فرادرس به ترتیب زیر به شما کمک خواهد کرد:

1. فیلم آموزش شیمی دهم فرادرس
2. فیلم آموزش شیمی دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
3. فیلم آموزش شیمی یازدهم فرادرس
4. فیلم آموزش شیمی یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس

انواع احتراق چیست؟

حالا که متوجه شدیم احتراق به‌عنوان یک واکنش شیمیایی چه خصوصیاتی دارد، برای اینکه بهتر یاد بگیریم احتراق چیست، لازم است انواع آن را بشناسیم. سوختن یا احتراق به دو صورت ممکن است انجام شود، کامل یا ناقص (ناکامل). در سوختن کامل، تمام واکنش دهنده‌ها در اکسیژن کافی می‌سوزند و تعداد محدودی محصول تولید می‌شود.

فیلم آموزش احتراق و انواع کاربردها در فرادرس

کلیک کنید

اما در سوختن ناقص، چون اکسیژن کافی فراهم نیست، تمام سوخت مصرف نمی‌‌شود و محصولات تولید شده اغلب سمی هستند.

به همین علت است که سوختن کامل را «سوختن تمیز» و سوختن ناقص را «سوختن سمی» می‌نامند. در سوختن کامل، پس از اینکه تمام عناصر سوختند، محصولات واکنش شامل اکسیدهای معمول است. برای مثال، اگر کربن با اکسیژن ترکیب شود، دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. در ترکیب گوگرد و گاز اکسیژن، سولفور دی‌اکسید حاصل می‌شود یا واکنش آهن و اکسیژن که اکسید آهن (II) تولید می‌کند. در ادامه خصوصیات و تفاوت‌های این دو نوع احتراق را با جزئیات بیشتر توضیح می‌دهیم.

احتراق کامل چیست؟

در این بخش یاد می‌گیریم اولین نوع احتراق چیست و چه ویژگی‌هایی دارد. در احتراق کامل یا سوختن تمیز، اکسیژن کافی برای احتراق موجود است. در نتیجه ماده واکنش‌دهنده با اکسیژن، به‌طور کامل مصرف می‌شود. معمولا این نوع احتراق در دمای بالا رخ می‌دهد. اگر ماده واکنش‌دهنده با اکسیژن در احتراق کامل، یک ترکیب آلی مثل انواع هیدروکربن‌ها باشد، محصولات نهایی آن دی‌اکسید کربن و آب به شکل بخار است.

برای مثال، در شکل بالا زمانی که یک مولکول از هیدروکربنی مانند متان در معرض اکسیژن کافی بسوزد، یک مولکول کربن دی‌اکسید و دو مولکول بخار آب تولید می‌کند. بنابراین منظورمان از اکسیژن کافی برای این واکنش این است که به ازای هر مولکول متان دو مولکول دو اتمی اکسیژن داشته باشیم. اگر دقت کنید در قسمت پایین این تصویر به ازای چهار مولکول متان فقط یک مولکول اکسیژن وجود دارد. بنابراین این واکنش حتما یک سوختن ناقص است.

یکی دیگر از بهترین مثال‌ها برای سوختن کامل، احتراق کاملی است که نیاز است در موتور ماشین داشته باشیم. البته انجام احتراق کامل در موتور ماشین به‌تنهایی امکان‌پذیر نیست و برای این منظور از مبدل‌های کاتالیستی کمک گرفته می‌شود. با در نظر گرفتن گاز متان به‌عنوان سوخت، انتظار داریم واکنش ایده‌آل زیر را در موتور ماشین داشته باشیم. اما در واقعیت چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد و احتراق در موتور ماشین کامل نیست.

مثال دیگر، آماده‌سازی صنعتی تری اکسید گوگرد (SO₃) یا «نیسو سولفان» است که نمونه‌ای از فرآیند احتراق کامل در دمای بالا است. این ماده یکی از مهم‌ترین انواع اکسید گوگرد است، چون به‌عنوان پیش‌ماده برای ساخت اسید سولفوریک استفاده می‌شود و آمادسازی آن به این شکل است که دی‌اکسید گوگرد در دمایی حدود ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد و به کمک یک کاتالیزور، اکسید می‌شود.

یکی دیگر از مهم‌ترین مشخصه‌های احتراق کامل و ناقص این است که در سوختن ناقص رنگ شعله تولید شده زرد است، در حالی که در سوختن کامل رنگ شعله آبی است. اگر به شکل سمت راست در تصویر زیر توجه کنید، با باز گذاشتن حفره هوا در چراغ، اکسیژن کافی به سوخت داخل چراغ خواهد رسید. در نتیجه سوختن کامل داریم که نشانه آن شعله‌ای آبی رنگ، غیرقابل تحمل و داغ است.

اما در سمت چپ تصویر، با بستن حفره هوا و ممانعت از رسیدن اکسیژن کافی به سوخت داخل چراغ، سوختن ناقص انجام می‌شود که نتیجه آن شعله‌ای زرد با گرمای ملایم و قابل تحمل است. همچنین شکل زیر تغییر رنگ شعله را از زمانی که حفره هوا کاملا بسته است (شماره یک - سوختن ناقص)، تا زمانی که حفره هوا کاملا باز شده است (شماره چهار - سوختن کامل) نشان می‌دهد. در شماره دو و سه با باز شدن تدریجی حفره هوا و دریافت اکسیژن بیشتر، مشاهده می‌کنید که به تدریج رنگ شعله به سمت آبی تغییر می‌کند.

اگر بخواهیم مجموعه معادلات کامل برای احتراق هیدروکربن در هوا را بیان کنیم، نیاز است محاسبات بیشتری در مورد نحوه توزیع اکسیژن بین کربن و هیدروژن در ماده سوختنی انجام شود. مقدار هوای لازم برای اینکه واکنش احتراق کامل داشته باشیم، «هوای استوکیومتریک» (Stoichiometric Air) یا «هوای تئوری» (Theoretical Air) نامیده می‌شود. برای داشتن فرآیند احتراق جزئی، مقدار هوای بیشتر از این مقدار موردنیاز است که به آن «هوای اضافی» (Excess Air) گفته می‌شود. مقدار هوای اضافی از ۵% برای یک دیگ گاز طبیعی تا ۴۰% برای زغال‌سنگ آنتراسیت و تا بالای ۳۰۰% برای یک توربین گازی متغیر است.

در انتهای این بخش، خلاصه‌ای از مشخصات یک واکنش احتراق کامل را می‌توانیم شامل موارد زیر بدانیم:

• مقدار ماده اکسنده یا اکسید کننده باید به اندازه‌ای باشد که تمام سوخت مصرف شود.
• اگر هیدروکربن بسوزد، محصول تولید شده فقط دی‌اکسید کربن و بخار آب است.
• رنگ شعله در این نوع سوختن همیشه آبی است.
• دود تولید نمی‌شود.
• انرژی تولید شده در این فرآیند خیلی زیاد است.
• تنها اثر زیست‌محیطی ناشی از این نوع سوختن، گرمایش زمین به علت تولید گاز دی‌اکسید کربن است.

احتراق ناقص چیست؟

تا اینجا آموختیم که مشخصات اولین نوع احتراق چیست. در این بخش نوع دیگری از احتراق، به نام احتراق یا سوختن ناقص را یاد می‌گیریم. چنانچه اکسیژن موجود در احتراق برای مصرف تمام واکنش‌دهنده کافی نباشد، در این صورت سوختن ناقص یا سوختن سمی داریم. همچنین اگر ماده واکنش‌دهنده دارای ناخالصی‌هایی باشد که قابلیت اشتعال کامل ندارند، باز هم احتراق ناقص خواهیم داشت. در این نوع احتراق، اگر ماده واکنش‌دهنده هیدروکربن یا هر نوع ترکیب آلی دیگری باشد، همواره محصولات جانبی شامل دوده، کربن و مونوکسید‌کربن خواهند بود.

در شکل بالا همان‌طور که در بخش احتراق کامل گفتیم، در صورتی که به ازای هر مولکول از هیدروکربنی به نام متان، دو مولکول اکسیژن داشته باشیم، در این صورت احتراق کامل خواهیم داشت. حالا فرض کنید به‌جای هیدروکربن متان، از سوخت دیگری به نام «اتان» (Ethane) با فرمول C₂H₆ استفاده کنیم. اگر مقدار اکسیژنی که برای این واکنش در نظر گرفته شده است تغییری نکند، طبق شکل زیر احتراق ناقص انجام می‌شود، چون امکان اینکه فقط دی‌اکسید کربن و آب تشکیل شوند، وجود ندارد.

در واکنش بالا چون اکسیژن کافی برای اتان موجود نیست، در نتیجه یکی از اتم‌های کربن در آن فقط با یک اتم اکسیژن ترکیب می‌شود و مونوکسید کربن تولید می‌‌شود. سه اتم اکسيژن باقی‌مانده در این واکنش، با تعداد بالای اتم‌های هیدروژن‌ در اتان ترکیب خواهند شد. همچنین یک اتم کربن دیگر هم بدون پیوند باقی می‌ماند که به شکل ذرات دوده یا خاکستر ظاهر خواهد شد.

در ابتدای مطلب اشاره کردیم که برای بیشتر سوخت‌ها مثل زغال، چوب یا گازوئیل، فرآیند پیرولیز یا تجزیه حرارتی پیش از احتراق رخ می‌دهد. در سوختن ناقص، محصولات تولید شده طی فرآیند پیرولیز نسوخته می‌مانند. در نتیجه، دود حاصل از احتراق با انواع ذرات و گازهای مضر آلوده خواهد شد. ترکیباتی که کامل اکسید نشده‌اند، معمولا نگران‌کننده‌اند، برای مثال اکسید شدن جزئی اتانول که باعث تولید «استالدهید» (Acetaldehyde) مضر می‌شود یا کربن که ممکن است گاز مونو‌اکسید کربن سمی را تولید کند.

همان‌طور که گفتیم، مونو‌کسید کربن یکی از محصولات تولید شده در احتراق ناقص است. علت تولید این ماده این است که ایجاد این گاز، گرمای کمتری نسبت به تولید کربن دی‌اکسید ایجاد می‌کند. به همین دلیل است که دنبال این هستیم تا فرآیند سوختن کامل داشته باشیم و از تولید مونوکسید کربن بیشتر جلوگیری کنیم. خطر مونوکسید کربن این است که از طریق تنفس وارد بدن شده و به‌جای اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب می‌شود. در نتیجه مانع از این می‌شود که اکسیژن به بخش‌های دیگر بدن بخوبی منتقل شود.

در انتها مشخصات یک احتراق ناقص شامل موارد زیر است:

• مقدار ماده اکسنده یا اکسید کننده برای مصرف تمام سوخت  کافی نیست.
• اگر هیدروکربن بسوزد، محصول تولید شده مونوکسید کربن و بخار آب است.
• رنگ شعله در این نوع سوختن زرد یا نارنجی است.
• دود تولید می‌شود.
• انرژی تولید شده در این فرآیند کم است.
• اثر مخرب زیست‌محیطی ناشی از این نوع سوختن، آلودگی هوا به‌‌ علت تولید مونوکسید کربن و دود است.

معادله شیمیایی احتراق

• در حالت اول یعنی واکنش یک ماده غیرآلی فلز یا نافلز با اکسیژن، معادله مناسب برای واکنش شیمیایی احتراق به شکل زیر است:

$$xM+(y/2)O_2\rightarrow M_xO_y$$

در این معادله M یک ماده غیرآلی واکنش‌دهنده با اکسیژن مانند Mg و M_xO_y محصول است (اکسیدی مثل MgO):

$$2Mg+O_2\rightarrow 2MgO$$

• در حالت دوم واکنش ماده آلی با اکسیژن را داریم و می‌توانیم معادله کلی زیر را برای آن در نظر بگیریم که در آن C_xH_y یک ماده واکنش‌دهنده آلی مثل گاز متان است:

$$C_xH_y+(x+y/4)O_2\rightarrow xCO_2+(y/2)H_2O$$

در سمت راست معادله بالا، می‌توان انرژی گرمایی و نور را هم اضافه کرد. پس می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که یکی از عوامل دیگری که باعث می‌شود معادله احتراق متفاوت باشد، نوع ماده سوختنی است. اگر ماده سوختنی یک ترکیب آلی باشد، احتمال تولید دی‌اکسید کربن و آب وجود دارد. در بخش بعد در مورد اینکه یک ترکیب آلی چیست و چه خصوصیاتی دارد، توضیح می‌دهیم.

نکته: دقت کنید در جمله بالا از کلمه احتمال استفاده کردیم، چون تولید این دو ماده به‌عنوان محصول، به اینکه چقدر اکسیژن در دسترس است، بستگی دارد. به‌عبارت دیگر، در یک واکنش احتراق کامل، حتما آب و CO₂ تولید می‌شود. اما اگر اکسیژن کافی نباشد، حتی با وجود ماده آلی در طرف اول معادله، در سمت دیگر معادله دی‌اکسید‌ کربن نخواهیم داشت.

تعریف ماده آلی

مثال از احتراق هیدروکربن‌ها

احتراق پروپان (C₃H₈)

$$C_3H_8(g)+5O_2(g)\rightarrow3CO_2(g) +4H_2O (g)$$

همان‌طور که در معادله بالا مشاهده می‌کنید، با توجه به ترکیب شیمیایی پروپان، برای اینکه سوختن کامل رخ دهد، لازم است ۵ مولکول اکسیژن با هر یک از مولکول‌های پروپان واکنش دهند تا ۳ مولکول CO₂ و ۴ مولکول آب تولید شود. از پروپان به‌عنوان سوخت معمول در کوره‌های گازی استفاده می‌شود.

$$C_xH_y+(x+y/4)O_2\rightarrow xCO_2+(y/2)H_2O$$

در مورد پروپان، x=۳ و y=۸ است. بنابراین طبق معادله بالا به تعداد x+y/۲=۳+۴/۲=۵ مولکول اکسیژن نیاز داریم تا سوختن کامل داشته باشیم و در بخش محصولات تعداد x=۳ مولکول دی‌اکسید کربن و y/۲=۸/۲=۴ مولکول آب تولید می‌شوند. همچنین نمونه‌ دیگری از معادله سوختن پروپان در شکل زیر نشان داده شده است که یک احتراق ناقص است. اگر دقت کنید با اینکه در محصولات واکنش دی‌اکسید کربن و آب هم داریم، اما مونوکسید کربن و دوده هم تشکیل شده است که نشان می‌دهد احتراق کامل نیست.

احتراق متان (CH₄)

ساده‌ترین هیدروکربنی که می‌توانیم در نظر بگیریم، گاز «متان» (Methane) با فرمول شیمیایی CH₄ است. معادله شیمیایی که سوختن کامل متان را توصیف می‌کند، به شکل زیر است:

گازوئیل$$CH_4(g)+2O_2(g)\rightarrow CO_2(g) +2H_2O (g)$$

احتراق اتانول (C₂H₅OH)

$$C_2H_5OH(l)+3O_2(g)\rightarrow2CO_2(g) +3H_2O (g)$$

احتراق نفتالین (C₁₀H₈)

یکی دیگر از انواع هیدروکربن‌های معمول در احتراق، «نفتالین» (Naphthalene) با فرمول شیمیایی C₁₀H₈ است. نفتالین هم اگر در معرض اکسیژن کافی (به ازای هر مولکول نفتالین ۱۲ مولکول اکسیژن نیاز است) قرار بگیرد، یک واکنش شیمیایی سوختن کامل ایجاد می‌شود که نتیجه آن، تولید گاز دی‌اکسید کربن و بخار آب است:

$$C_{10}H_8(s)+12O_2(g)\rightarrow10CO_2(g) +4H_2O (g)$$

سوختن نفتالین هم یک فرآیند گرماده است، بنابراین در طرف دوم معادله بالا گرما نیز یکی از محصولات واکنش است.

نکته ۱: در تمامی معادلاتی که به عنوان مثال‌های احتراق تا اینجا توضیح دادیم، همواره دو طرف معادله شیمیایی در موازنه‌اند. برای مثال در سمت چپ معادله بالا یا در بخش واکنش‌دهنده‌ها اگر تعداد اتم‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن را بشمارید، تعداد ۱۰ اتم کربن، ۸ اتم هیدروژن و ۲۴ اتم اکسیژن داریم. در طرف راست یا بخش محصولات این معادله نیز باید تعداد این اتم‌ها همین مقدار باشد.

نکته ۲: احتمالا تا اینجا متوجه شده‌اید که هیدروکربن‌‌های مختلف نسبت‌های متفاوتی از کربن و هیدروژن دارند. در نتیجه نسبت بخار آب به دی‌اکسید کربن تولید شده در سوختن آن‌ها با هم فرق دارد. برای مثال در سوختن نفتالین نسبت این دو محصول به هم ۴ به ۱۰ است، در حالی که در سوختن اتانول این نسبت ۳ به ۲ است.

احتراق بنزین (C₈H₁₈)

$$2C_8H_{18}(g)+25O_2(g)\rightarrow 16 CO_2(g) +18H_2O (g)$$

مثال از احتراق فلزها و نافلزها

احتراق گاز هیدروژن

یکی دیگر از مثال‌های احتراق، واکنش گاز هیدروژن با گاز اکسیژن و تشکیل بخار آب است. شاید واکنش اکسیژن و هیدروژن گازی ‌به‌عنوان یک فرآیند احتراق دور از ذهن به‌نظر برسد، اما واقعیت این است که این واکنش نوعی احتراق است و معادله شیمیایی آن به‌صورت زیر است:

$$2H_2(g)+O_2 (g)\rightarrow2H_2O (g)$$

در طرف دوم این معادله گرما هم وجود دارد. احتراق واکنشی است که در آن ماده‌ای با گاز اکسیژن وارد یک واکنش شیمیایی می‌شود و در نتیجه، انرژی در قالب گرما و نور آزاد می‌شود. پس یکی از مولفه‌های اساسی در احتراق این است که گاز اکسیژن را به‌عنوان یکی از واکنش‌دهنده‌ها حتما داشته باشیم. در معادله بالا این نکته رعایت شده است.

یکی از وقایع ناگواری که بر اثر احتراق گاز هیدروژن ایجاد شد، سانحه «کشتی هوایی هیندنبورگ» (Hindenberg Airship) است. یک کشتی هوایی پر شده با هیدروژن گازی که در هنگام فرود خود دچار سانحه و برخورد با یک دکل شد. در نتیجه این سانحه، احتراق هیدروژن به‌طور ناگهانی به شکل یک گلوله آتشین عظیم شروع شد. انرژی ناشی از این احتراق به حدی بود که باعث شد کشتی و تعدادی از انسان‌ها جان خود را از دست بدهند. این سانحه در نتیجه معادله ساده بالا و واکنش هیدروژن گازی با اکسیژن رخ داد.

سوختن کربن

یکی دیگر از واکنش‌های سوختن، سوختن کربن (C) است. خود اتم کربن یک هیدروکربن محسوب نمی‌شود. پس انتظار نداریم از سوختن کربن تنها، هر دو محصول دی‌اکسید کربن و بخار آب حاصل شود. اما بسته یه میزان اکسیژنی که در دسترس است، سوختن کربن می‌تواند باعث تولید گاز دی‌اکسید کربن تنها یا مونوکسید کربن تنها شود:

$$2C(s)+O_2(g)\rightarrow2CO(g)$$

$$C(s)+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)$$

سوختن گوگرد

در ادامه یادگیری مبحث احتراق چیست، معادله احتراق دیگری را با هم بررسی می‌کنیم که باز هم ترکیب یک ماده غیرآلی به نام گوگرد (S) با اکسیژن است و نتیجه آن، تشکیل اکسیدی از آن ماده است:

$$S(s)+O_2(g)\rightarrow SO_2(g)$$

سوختن منیزیم

در ادامه بررسی چند مثال از احتراق مواد غیرآلی یا موادی که در گروه هیدروکربن‌ها قرار نمی‌گیرند، عنصر منیزیم با نماد شیمیایی Mg نیز در حضور اکسیژن واکنش شیمیایی احتراق را ایجاد خواهد کرد که محصول آن اکسید منیزیم است:

$$2Mg(s)+O_2(g)\rightarrow 2MgO(s)$$

احتراق گاز نیتروژن

آخرین معادله شیمیایی که در این قسمت بررسی می‌کنیم تا بهتر یاد بگیریم که احتراق چیست، سوختن نیتروژن است. نیتروژن گازی در حضور گاز اکسيژن به دو شکل می‌تواند واکنش شیمیایی احتراق را ایجاد کند:

$$N_2(s)+O_2(g)\rightarrow2NO(g)$$

$$N_2(s)+2O_2(g)\rightarrow 2NO_2(g)$$

انواع دیگر احتراق چیست؟

احتراق یکی از چند نوع واکنش‌ شیمیایی اصلی محسوب می‌شود که خود این فرآیند را می‌توان به شکل‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد. در تمام فرآیندهای احتراق، گاز اکسیژن به شکل یک مولکول دو اتمی حضور دارد. برای شروع هر نوع احتراقی، دمای بالا یا یک جرقه کافی است. سپس اکسیژن می‌تواند با یک عنصر یا یک ماده ترکیب واکنش دهد و با آن ترکیب شود. این ماده ترکیب می‌تواند آلی یا غیرآلی باشد.

در احتراق همیشه علاوه بر محصولات شیمیایی مختلف، گرما و نور نیز به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌شوند. بر اساس انرژی و سرعت واکنش، می‌توانیم احتراق را به چند دسته دیگر نیز تقسیم‌بندی کنیم:

• احتراق سریع
• احتراق دوده‌ای
• احتراق خود به خودی
• احتراق آشفته
• احتراق میکروگرانشی

پس علاوه بر سوختن کامل و ناقص، تقسیم‌بندی دیگری از انواع سوختن وجود دارد که در این بخش به بیان خصوصیات آن‌ها خواهیم پرداخت.

احتراق سریع

همان‌گونه که از اسم این نوع سوختن مشخص است، در احتراق سریع سرعت انجام واکنش سریع است. چنین واکنشی مقدار زیادی گرما و نور تولید می‌کند و می‌تواند منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شود. معمولا موتور ماشین‌ها و موتورهای داخلی احتراقی در سایر دستگاه‌ها طوری تنظیم می‌شوند که احتراق سریع سوخت‌های فسیلی اتفاق بیفتد.

احتراق با دود

این نوع احتراق ناقص، یک فرآیند بسیار آهسته و کند در دمای پایین است. برخلاف احتراق سریع، در این نوع فرآیند شعله‌ای تولید نمی‌شود و دمای نسبتا پایینی دارد. در این احتراق سطح ماده سوختنی برای مثال چوب، به کندی با اکسیژن واکنش می‌دهد. یکی از مشخصات این نوع احتراق، نوعی درخشش پایدار است که در آتش در حال خاموش شدن قابل مشاهده است.معمولا سوخت‌هایی که دارای خلل و فرج‌های فراوان هستند، چنین احتراقی ایجاد می‌کنند.

احتراق خود به خودی

تا اینجا یاد گرفتیم برخی انواع دیگر احتراق چیست. برای خیلی از مواد فرار مانند هیدروکربن‌ها قابلیت احتراق بدون کمک گرفتن از شعله یا جرقه‌ به‌عنوان عامل محرک، وجود دارد. اصولا ترکیبات فرار دارای فشار بخار بالای و دمای آتش گرفتن پایینی هستند. اگر این مواد داخل یک محفظه قرار بگیرند، گرما و فشار باعث می‌شود احتراق خود به خودی برای آن‌ها اتفاق بیفتد. همچنین برخی از انواع زغال‌‌سنگ نیز اگر در معرض اکسیژن بالایی قرار بگیرند، دچار احتراق خود به خودی خواهند شد.

احتراق آشفته

این نوع از احتراق یک نمونه عملی از سوختن است که در موتورها و توربین‌های گازی بکار می‌رود. چنین احتراقی به بهبود بازدهی واکنش‌های بین اکسیژن و سوخت کمک می‌کند.

احتراق میکروگرانشی

اثر نیتروژن هوا در احتراق

در بخش‌ قبل کاملا یاد گرفتیم که انواع احتراق چیست و بر چه اساسی می‌توانیم تقسیم‌بندی‌های مختلفی از احتراق داشته باشیم. در این بخش می‌خواهیم توضیح دهیم با توجه به اینکه هوا علاوه‌ بر اکسیژن، از نیتروژن هم تشکیل شده است، اثر نیتروژن در احتراق چیست؟ همچنین با توجه به اینکه در ترکیبات سوخت‌های فسیلی عنصر نیتروژن وجود ندارد، سوالی که مطرح می‌شود این است که در فرآیند سوختن آن‌ها، چگونه اکسید نیتروژن شکل می‌گیرد؟

برای اینکه به این سوالات پاسخ دهیم، ابتدا بهتر است بررسی کنیم هوا از چه عناصری تشکیل شده است. هوای اطراف ما تقریبا از ۲۱% گاز اکسیژن و ۷۸% گاز نیتروژن تشکیل شده است. در شرایط معمول، اکسیژن و نیتروژن با هم واکنشی نمی‌دهند. در بیشتر کاربردهای صنعتی و در تولید آتش به هر شکلی، هوا منبع اکسیژن (O₂) است. در هوا، هر مول اکسیژن با تقریبا ‎‎۳٫۷۱ mol نیتروژن مخلوط می‌شود. اما این نیتروژن در دماهای معمول در احتراق شرکت نمی‌کند.

فقط در دماهای خیلی بالاتر، مقداری از این نیتروژن به NO_x تبدیل خواهد شد (بیشتر به NO و مقدار خیلی کمی NO₂). گونه‌هایی از NO_x در دماهایی بالاتر از ‎۱۵۴۰ C ظاهر می‌شوند و در دماهای بالاتر نیز، مقادیر بیشتری از این ترکیبات دیده خواهد شد. البته مقدار NO_x تولید شده تابعی از اکسیژن اضافی هم هست.

دقت کنید زمانی که اکسیژن به‌عنوان اکسید کننده در احتراق است، نیتروژن ماده سوختنی در نظر گرفته نمی‌شود. اما زمانی که هوا اکسید کننده است، همچنان مقادیر کمی از اکسید‌های نیتروژن (NO_x) تولید می‌شوند. پس اگر احتراقی در دمای بالا و در حضور هوای شامل ۷۸% نیتروژن انجام شود، احتمالا مقدار کمی از مخلوط چند اکسید نیتروژن که NO_x نامیده می‌شوند، تولید خواهد شد. علت این پدیده این است که از نظر ترمودینامیکی دمای بالا فاکتور مطلوبی برای سوختن نیتروژن است.

کاربردهای احتراق

پس از اینکه یاد گرفتیم جنبه‌های مختلف احتراق چیست، در این بخش به بررسی این مبحث می‌پردازیم که کاربردهای احتراق چیست. احتراق یا سوختن اولین واکنش شیمیایی کشف شده توسط بشر محسوب می‌شود که توانست آن را کنترل کند و از آن برای تولید انرژی استفاده کند.

با توجه به اینکه در طبیعت امکان تولید آتش به روش طبیعی وجود دارد (برای مثال شعله‌های ناشی از برخورد رعد و برق یا آتش ناشی از مواد آتش‌فشانی)، این مسئله در عین حال که خطرناک است، در صورت کنترل شدن می‌تواند یکی از مزیت‌های این واکنش نیز محسوب شود.

همچنین یکی دیگر از مهم‌ترین کاربردهای احتراق این است که در حال حاضر این واکنش به‌عنوان تنها منبع تولید توان در موشک‌ها محسوب می‌شود. به‌ علاوه برای تخریب یا سوزاندن زباله نیز از احتراق یا سوختن استفاده می‌شود.

آثار احتراق

علاوه بر مشکلات ناشی از سوختن نیتروژن، مشکلات سوختن ناقص را هم داریم. اگر بخواهیم مشکلاتی که در اثر سوختن ناقص ایجاد می‌شود را دسته‌بندی کنیم، می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:

• مشکلات محیط‌زیستی
• مشکلات سلامتی

آثار محیط‌زیستی مخرب ناشی از سوختن ناقص سوخت‌های فسیلی شامل موارد زیر است:

• تشکیل دی‌اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن که باعث تشکیل باران اسیدی می‌شوند.
• ذرات کربن جامد که موجب کاهش جهانی تابش نور خورسید خواهد شد.
• تشکیل گاز سمی و بی‌رنگ مونوکسید کربن که باعث کاهش اکسیژن بدن می‌شود.

بنابراین مهم است که فرآیند سوختن در وسایل گرمایشی یا آشپزی منزل حتما چک شوند. با توجه به تفاوت نشانه‌های ظاهری شعله در سوختن کامل و ناقص، احتمالا خودتان بتوانید با نگاه به شعله اجاق گاز یا بخاری گازی متوجه شوید آیا سوختن سمی است یا نه.

تکمیل یادگیری احتراق با فرادرس

پس از اینکه کاملا یاد گرفتیم احتراق چیست و چه ویژگی‌هایی دارد، در این بخش می‌خواهیم چند فیلم آموزشی کاربردی در مورد احتراق که با رشته مهندسی مکانیک مرتبط است را به شما معرفی کنیم. اما پیش از آن پیشنهاد می‌کنیم ابتدا با تماشای مجموعه فیلم‌های «شیمی عمومی و شیمی آلی» فرادرس، اطلاعات خود را در مورد خصوصیات انواع واکنش‌های شیمیایی، موازنه، نحوه شناسایی ترکیبات آلی و چگونگی احتراق آن‌ها تکمیل کنید.

1. فیلم آموزش رایگان آشنایی با انواع تغییرات شیمیایی فرادرس
2. فیلم آموزش شیمی عمومی فرادرس
3. فیلم آموزش شیمی عمومی ۲ فرادرس
4. فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله فرادرس
5. فیلم آموزش شیمی آلی ۱ فرادرس
6. فیلم آموزش سوخت و احتراق Fuels and Combustion مقدماتی فرادرس
7. فیلم آموزش سوخت و احتراق Fuels and Combustion تکمیلی فرادرس

آزمون احتراق

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس، پس از اینکه کاملا یاد گرفتید احتراق چیست و چه انواعی دارد، در این قسمت می‌توانید با پاسخ‌دهی به سوالات چهار گزینه‌ای زیر میزان یادگیری خود را بیازمایید. در انتهای آزمون، با کلیک روی بخش «دریافت نتیجه آزمون» نمره نهایی شما قابل مشاهده است.